在他们制造动力飞机的工作中,莱特兄弟得到的最大的鼓舞就是他们获得了全人类第一个飞行成功的荣誉。然而他们还没有设计出实用的飞机。当时,他们甚至还不能预见飞机的各种用途。他们开始只想到飞机今后能在战争中执行侦察任务,能往交通不便的地区运送邮件,能够探险,还能够用作体育器材。
正如他们试验的,如果他们的飞机依靠自己的动力能够在每小时42千米的大风中飞行260米,那它为啥不能飞几倍于那个距离呢?飞机要能实用,还需要进行许多改进,这就需要他们进行更多的飞行试验。这大量的飞行意味着增加支出,也意味着减少他们制造和修理自行车的时间。然而对于献身于飞行事业的莱特兄弟,不管需要付出多少时间,付出什么代价,他们都在所不惜。他们从基蒂霍克回来后,根本无空处理自行车铺里的工作,只是将大多数日常工作托付给技工查利·泰勒。
1904年1月,他们又开始制造一架新飞机。这架飞机跟1903年的那一架相似,但又有许多变化。整个机身的结构更加坚固,重量比原来的那一架重36.2千克。因为在前升降舵下增设一个31.7千克的铁条支撑架。假如没有这个支撑架,飞机用较少的动力就可以飞行。他们这样做的原因是,飞机的重心跟机翼的升力重心相比太靠后,所以机头的水平升降舵上需要31.7千克的气压,以使升力重心和飞机的重心相适合。他们想,任何向下的压力,不管是由空气还是由重量产生的,都会被飞机的主体承受住。如果向下的压力产生于使用升降舵,那就会产生两种阻力,一种是在升降舵本身,另一种是在机翼上。从另一方面说,要是相等的压力是来自于重量的话,那么升降舵将受不到多少阻力,因为它将消除飞机那部分向下的压力。那么遇到阻力的将只有机翼了。
这架新飞机的总重量达到408千克。
机翼的弯曲度由1∶20改为1∶25,那样弯曲度就减小了。顺着从前到后的翼梁,翼肋逐渐变细,不像原先的那架飞机的机翼:前后是相同的厚度。1904年的飞机装上了一台完全新的发动机。事实上,莱特兄弟着手制造了三台新的发动机。其中一台有10.4厘米内径的汽缸4个;另一台跟在基蒂霍克使用过的那一台一样,有4个10.1厘米内径的汽缸;第三台是V型发动机有8个汽缸。1904年的飞机上装的是10.4厘米内径的那台发动机。它能够提供符合要求的动力,不过它比莱特兄弟后来制造的另一种有4个10.1厘米内径汽缸的发动机所提供的动力要小些。他们把一台发动机一直放在自行车铺里留作实验,试图进行各种改进,以使它能够产生出他们期望的8个汽缸V型发动机所产生的动力或是两倍于1903年那架飞机中的发动机提供的动力。他们那时放弃了完成V型发动机的想法。
1904年飞机的另一个变化是机翼的前后翼梁均使用云杉木制成,取代了白松木。那时在代顿市弄不到云杉木料,于是莱特兄弟在他们的自行车铺里用常用的方法做了试验以确定木料的强度,结果证明这两种木料的强度相差无几。可是在实际使用中,当压力猛然增加,比如飞机着陆时,白松木制造的翼梁就突然折断,“就像捶击之下的乳脂糖”,而云杉木的抗震力就比较强。莱特兄弟在修复机翼时,翼梁便全部改用云杉木了。
为了进行飞行实验,他们首先需要的是一块合适的场地,那儿不能离家太远。他们在离代顿市13千米的地方,往斯普林菲尔德的方向找到了一个牧场。那儿土地平坦,附近有一条主要铁路和锡姆斯火车站。这个牧场是代顿市银行家托伦斯·霍夫曼的农场的一部分,人们称它为霍夫曼草原。同莱特兄弟理想中的现代飞机场来比,这2753公亩的草场还是不太理想。牧场上有许多树,此外还太靠近高压线和电线杆。可这儿是他们所能找到的最好的地方了。莱特兄弟毫不犹豫地向霍夫曼进行了自我介绍,并问他能否把牧场租给他们进行飞行试验。霍夫曼答应了莱特兄弟的要求,并说欢迎他们来,免费进行试验。但是他又说他希望莱特兄弟把他的奶牛赶到一个安全的地方,而且不要开飞机时从它们的头顶上飞过。
1904年4月15日,莱特兄弟在霍夫曼草原建起了一座简陋的木棚,以便准备他们的试验。
即使他们作出努力,也很难保守住他们在霍夫曼草原进行飞行试验的秘密。因为有一条铁路干线和两条他们自己常使用的公路穿过那里。
于是他们采取了特别的措施来打破人们的神秘感,因为他们知道要想不被报社记者和其他人打扰,最好的办法就是不让他们自己的活动具有任何的神秘色彩。就在他们准备在牧场上进行第一次飞行以前,莱特兄弟给代顿市的各家报社以及辛辛那提市的各家报社写了信,他们在信中说:他们将于5月23日进行飞行试验,欢迎有兴趣的记者光临指导。他们的惟一要求是不要拍照,以及报道不要失实,不要耸人听闻。最后的一条要求是为了避免吸引大批的观众。后来的事实表明他们完全没有必要担心所谓的好奇者。
大约有12名报社的记者来到飞行现场,同时还来了一些邻居和亲朋好友,总共约35人,全都是应邀而来的。
莱特兄弟把他们的飞机从机库拖到一条短距离的木轨上,在开动发动机以前等候适合的风力。碰巧,那天的风特别大,大约是每小时40千米,莱特兄弟说他们要等到风力小点儿再飞。等强风止息的时候,风力又突然小得几乎完全停止了。在这么短的跑道上起飞至少也要求有每小时18千米的风速。他们说等风力加大以后,才能准备飞行,可风力一直没有增大。人们只好耐心地等待着,有两三个自认为绝顶聪明,不会被人愚弄的记者开始互相交头接耳地议论起来。他们原先并不愿意来,现在何必要任人摆布到这儿来浪费时间呢?但是大部分人还是同情莱特兄弟的,他们确实真诚地相信莱特兄弟是能够飞上天的。
尽管莱特兄弟对参观者表示了遗憾,然而他们并不显得狼狈。他们已经学会了应付偶然事件。到后来,还是没有起风的征候,他们中的一位便向众人宣布:
“今天我们飞不成了,可是既然你们不怕麻烦到这里来等候了这么长的时间,我们就让飞机在跑道上滑行一下,以便你们对它的性能有一个粗浅的印象。由于轨道太短,我们没法让它飞起来,可是你们可以看到它是怎么开动的。”
谁知这时发动机又出了毛病,在预热时,它运转得很正常,可是当飞机沿着轨道往前滑跑,发动机就开始发出“砰砰”的爆炸声。事后莱特兄弟才知道原由:是进气管里的气流产生的响声。可在基蒂霍克使用发动机时从未出现过这种麻烦。
飞机顺着轨道滑完全程就脱离了轨道,但是并没有升空。这对记者们来说并不稀奇。看起来,他们被大大地愚弄了一番是确定无疑的了。
第二天就能飞行了吗?莱特兄弟也没有把握。他们首要的任务是弄清楚发动机出了什么毛病。他们奋战通宵可能解决这个问题,也有可能要用更长的时间,但不管怎样,所有愿意第二天再来的人都会受到欢迎。莱特兄弟说,报社记者任何时候来都会受到欢迎。
两三个报社记者第二天确实来了。发动机还是有毛病,不过风力稍微令人满意了一点儿。莱特兄弟决定给记者们看看,它究竟有多大能耐。
这一次,飞机升到了1.5~2米高,在降落前飞了将近18米的距离。发动机里一个汽缸的电触点松了,只有三个汽缸还能点火。虽然到现场参观的几个记者认为飞行的时代还没有到来,但他们都友好地把他们的所见所闻做了详尽的报道。然而,他们的报道与事实有很大出入:一个记者报道说飞行的高度达到了23米;在辛辛那提的《问询报》上,一篇报道评论这架飞机“建造得比同类型的其他飞机都坚固得多。”
所有这些报社记者以后没有再回来过。在以后的两年试验中,莱特兄弟如愿以偿,没有受到任何干扰。夏努特曾评论说:“报纸没有盯住你们,对我来说,这真是一个奇迹。”莱特兄弟对此付之一笑。
处理了记者的问题后,发明家们又重新开始了他们的工作。
差不多就在新的试验刚开始的时候,莱特兄弟又遇到了新的困难。
在基蒂霍克的时候,一条18米长的轨道就够一架飞机起飞了,可是在通常风力较小的霍夫曼,一条50米长,甚至73米长的轨道也不够用。
霍夫曼原野上覆盖着一层15厘米到30厘米高的小圆土堆。只有一个地方没有这种土堆,可以铺设73米长的轨道。像后来使用轮子助跑的飞机,在那块起伏不平的草场上是不实用的。要找到足够大的平地,而后铺设73米长的轨道是个相当大的工程。可是在轨道铺好后,风向又常常改变,这样一来,所有的工作又得重新再做。经过这样几次反复以后,莱特兄弟放弃使用这么长的轨道的打算,他们一般只用一条49米的轨道。
勉强适合于使用49米长的轨道的风速是每小时18公里,可是这样的风速不是常有的。所以他们不得不准备利用偶尔出现的更强的风力了。他们把飞机放在轨道上,等到他们能够“看见”强风的到来——在一定的距离上看见远处的小草被吹动了,风一吹到轨道上,他们就开动引擎,把飞机开到轨道的尽头,以使它迎风飞起。用这种办法,他们有时候能在看来是无风的一天里起飞。可是,有一次这样的起飞就是以灾难性的后果告终的。那天,当飞机迎着阵风起飞时,它急速上升了,但一眨眼间风过去了,飞机一头栽下来,将地面撞了一个三角形的陡直的洞穴。驾驶员奥维尔从机头抛了出来,摔在地上,还好他幸免于难。当时飞机上翼的翼梁照他背上砸了下来,有60厘米宽的一截机翼折断了,幸运的是奥维尔正好处于这60厘米宽的空当之间,因而没有受到伤害。
机翼除了折断的部位外,翼梁没有受到其他损坏。莱特兄弟永远也无法解释怎么会出现这样的奇迹。这次事故后,自行车铺技工查利·泰勒也曾亲眼目睹过另一次类似九死一生的飞行事故。他忧郁地告诉马路对面的邻居们说,每一次他看见莱特兄弟飞上天空,他总觉得这是最后一次见到他们了。
那一年的7月上旬,莱特兄弟对这架飞机又进行了改造。它的重心更加靠近尾部了。改造后的第一次试飞,飞机一离开轨道机头就不断地朝上升,看上去它像要向上翻筋斗似的。由于飞机的重心太靠后,以致把前升降舵转到了极限,也不能控制飞机向上翻。当机身完全成垂直状态时,飞机就渐渐地停了下来,然后向后滑去。飞机着地时,机身再一次恢复到几乎水平的状态。滑橇的后部如果稍微有点儿翘起的话,那么着陆就没有什么危险了。事实上,这样滑橇的尾部会铲进泥土中,但危险是微乎其微的。
1904年,早在莱特兄弟的试验获得进展以前,他们就打算创造一种更好的起飞方式。他们决定建一座带落锤的发射架,那将是最简便又最省钱的设备。一个726公斤的落锤下沉5米的距离,再铺之以粗绳子和滑轮,就能产生把飞机拉动15米的159公斤的力量。用这种方法,即使在无风的天气里,飞机只要跑完15.2米的轨道就能升空。至此,移动轨道的事就没有什么必要再做了。
9月7日,准备在发射架上做第一次试验的时候,莱特兄弟已经在平地上做了将近40次起飞试验,由于速度不够,其中许多次都失败了。可这时飞行的距离有了迅速的增加。过去较短距离的飞行都是直线飞行。
在飞行距离增加以后,为了不飞出牧场的界线,飞机有必要进行转弯飞行了。这时,又有新问题苦恼着他们,飞机在短促的转弯时会进入尾旋,结果使飞机摔下来,常常需要几天乃至几个星期的时间进行修理。不久,他们就弄清楚了是什么缘故使飞机在转弯时进入尾旋。可是他们发现很难避免这种结果,因为他们无从知道气流冲击飞机的角度。这件事引出了第一个“飞行导航仪”的发明。他们把一截细绳子系在前升降舵下面的横杆上,当飞机一直往前飞的时候,细绳子就直线地拖在后面;当飞机滑向旁边的时候,绳子就会被吹向一边,并且能够大致指示出机身倾斜的程度。通过密切注意这根绳子,他们就可以完全避免进入尾旋的危险。可是,一个自学飞行的驾驶员要注意的事情是如此之多,以致在某些时候他难以集中足够的注意力去观察那根细绳子。
自从使用发射架以后,飞机就能在任何时候起飞了。莱特兄弟平时就把飞机放在发射架的滑轨上,随时准备起飞。11月上旬的一天,奥维尔正散步到滑轨前边的时候,他似乎隐约看见飞机正在滑轨上微微移动。可是再仔细看,它又好像纹丝不动地停在那儿。然而,他还是转过身来,从容地向飞机走去,直到离飞机几步远时,他才清楚地看到飞机确实在滑动。逆着726公斤重物拉住飞机的铁丝是系在一根木桩上的,那根木桩被打进松软的土里1米多深。此时,木桩正被巨大的力量慢慢地拔了出来!奥维尔见此情景,几步冲到滑橇前。就在飞机被强力拉着向前猛冲,并在冲出滑轨尽头的时候。他拉住了前升降舵的控制杆,没有让飞机在失去控制的情况下升空。这一事故使飞机只遭受了轻微的破损,可是奥维尔的肩膀被扭伤了。
直到1904年进行第51次飞行,飞机在空中飞了1分零1秒钟时,莱特兄弟才打破了他们自己在基蒂霍克创造的59秒钟的飞行纪录。1904年9月20日,他们在空中飞了第一个完整的圆圈。到1904年年底时,他们做过了两次连续5分钟的飞行,每一次飞机都在原野的上空不停顿地飞了四五个圆圈。
虽然1904年总共飞行的时间只有45分钟,但是他们在这45分钟的时间里所获得的知识和经验却是极其重要的。
1905年5月底,莱特兄弟开始装配一架除发动机和螺旋桨系统之外一切都是全新的飞机。过去制造的飞机的着陆部位太脆弱,这次为了加固这方面的结构,增加了11.3公斤的重量。最主要的变化是在机翼上,其新的特征是把机翼扭曲系统和机尾方向舵的控制系统分开了。机翼的弯曲度从1904年采用的1∶25变回到在基蒂霍克时采用的1∶20,这个变化使飞机用较慢速度就能够飞起来。
新飞机最基本的变化是在前升降舵的两个平面之间新增加了两个半圆形的叶片,莱特兄弟称之为“眼睛”,他们后来为此申请了专利。“眼晴”的作用是当飞机转弯,驾驶员扭曲机翼时,帮助后方向舵克服两翼上不同的阻力。1902年的滑翔试验已表明,当飞机在下翼的方向上滑行时,机翼后面固定翼片上的压力势必增加上翼的速度并引起飞机失控,进入尾旋。翼片曾被做成活动的,以消除这种压力。现在莱特兄弟想到,如果一个固定的翼片被装在机翼的前面,而不是在后面,它一定会起到完全相反的作用。这样一来,就没有多少必要去操纵后方向舵以克服两翼上不同的阻力了。更重要的是,当飞机倾斜着转弯的时候,下翼的速度就会增加,因而可以避免出现尾旋。这样,尾方向舵和机翼扭曲都互相独立地进行操纵,就不会发生危险了。
莱特兄弟发现“眼睛”,完全消除了尾旋的危险,可也增加了飞机在直线飞行或者转弯飞行时操纵上的困难。因此,他们并没有在所有的飞行中使用它们(在现代飞机上,“眼睛”的作用已被机翼前很长的机身的作用代替了)。
尽管不使用“眼睛”,而通过仔细观察指示着飞机侧滑的细绳子一般都可以避免尾旋,然而莱特兄弟有时也会遇到例外。在1905年9月的一次飞行中,奥维尔没有在飞机上装上“眼睛”,忽然他发现飞机失去控制,向一堆约12米高的荆棘树丛落去,树上的刺有10厘米长,在那儿让飞机着陆的想法是不可取的。当他迅速使飞机转了一个直径大约为15米到30米的圆圈时,飞机几乎是垂直地栽了下来。机翼的内侧碰到了一根树枝,并把那根树枝整个儿扯了下来。在俯冲中,由于上翼的速度大大高于下翼的速度,因而它很快就超过了向下栽的下翼,从而使自己变成了下翼。这样,机身就翻过来,几乎垂直地向树丛冲去。当奥维尔拉动前升降舵,以免飞机撞到地面上时,飞机忽然转了一个弯,出乎意料地飞离了树丛。由于当飞机处在这种急剧的倾斜状态时,前升降舵比飞机在垂直状态时能横向施加更多的压力。因为飞机倾斜到45度角时,操纵前升降舵和后方向舵都能发挥最佳效能。飞机终于着落了,它轻轻地擦到了地面,当对奥维尔将这架倒飞着的飞机开到了机库前,可笑的是,树枝还挂在飞机上。这是莱特兄弟在飞机失速的情况下,让俯冲的飞机恢复正常速度的一次实践。这种迅速的恢复是基于这样的原因——
飞机两翼速度上的巨大差异。
1905年,新飞机经过几个星期的停飞和许多改造之后,奥维尔进行了一次危险的飞行。飞机离开轨道之后,就开始像一匹跳跃的野马,前仰后俯地飞行起来。他想要使飞机着陆,可是飞机的每一次下降都如此地急促,机身如此地倾斜,以至他不敢再下降飞机的高度,大约在飞了90米~122米以后,奥维尔才控制住颤抖着的飞机。于是他即刻把飞机降到了地面。威尔伯跑过来问他为什么刚刚操纵自如就停止了飞行?奥维尔说他还想更早一点着陆呢,如果他不抓住第一个机会安全降落的话,飞机就会被撞得粉身碎骨。
在 1905年的所有飞行中,方向舵和机翼扭曲的操纵系统完全分开了,几年以后,莱特兄弟又重新把这两种控制系统结合起来进行操纵,不过,他们使用了新的方法来改进这种结合。
1905年飞机的另一项改进就是翼尖的角度要小于机翼中段的角度。
有了这一变化,翼尖的失速比机翼其它部分的失速要来得迟一些,因而在机翼中间部分失速的情况下,驾驶员仍然能够通过横向平衡系统控制住飞机。
莱特兄弟把他们的螺旋桨的叶片加宽和弄薄之后,他们发现在飞行中这个螺旋桨的性能并不像早先的那个那样跟他们的计算一致。他们惟一能够想到的原因是在飞行中螺旋桨的叶片受到空气的压力,从而出现扭曲。为了迅速查明这是否是影响螺旋桨性能的真正原因,他们在每一个叶片后固定了一小块像升降舵那样的翼面,该翼面与叶片有一个夹角,可以平衡扭曲叶片的压力。他们把那小块翼面称为“小家伙”。当他们发现“小家伙”解决了问题以后,便将它们拆除,而给叶片装了一个后掠角。这种后掠角能起到“小家伙”同样的作用。
在1905年的飞行季节里,通过把前升降舵的面积从原来的4.6平方米增大到7平方米,并把它和机翼之间的距离增大到原来的两倍,从而在控制飞机方面有了很大的改进。这一段增加的距离使升降舵不像原来那么活了,并使飞机易于驾驶了。
通过把后方向舵的面积从原来的1.85平方米增大到3.15平方米,并把它和机翼之间的距离延长0.9米,从而使飞机的横向操纵系统得到了改进。
由于经常下雨,气候和田野都十分潮湿,1905年头两个月莱特兄弟只进行了9次飞行,其中只有3次持续飞行10分钟。自从那年9月份第一次飞行后,飞行就有了突飞猛进的进步。在所有的这些时间里,报纸对莱特兄弟的事业还是不闻不问,代顿市和其他地方的报纸没有报道有关霍夫曼草原上的历史性的飞行试验,其理由是他们认为所谓人类已经成功地制造出了飞行器纯粹是谣言,不值得相信。“你不可能干出那样保密的事情来的,如果真有飞行的话,肯定有一些记者会听到风声。
丹·孔勒在飞行时代的早期是代顿市《每日新闻》报城市版编辑。
1940年在他临死前不久曾回忆当时的情形时说:“经常乘车经过霍夫曼牧场旁边公路的人都看到了莱特兄弟的飞行。他们常常到《每日新闻》编辑室来询问为什么报纸对飞行的事只字不提。”
“我们当时真是很讨厌那些来访者。”孔勒说。
“为什么报纸没有报道有关飞行的新闻呢?”人们问孔勒。
“我们不相信那是真的,”他说,“你们当然会记得莱特兄弟那时是非常神秘的人物。”
“你是说他们在一片毫无遮掩的草地上进行飞行是搞神秘的活动吗?”孔勒回忆了一会儿露齿一笑说,“我想,事实上我们当时真是大笨蛋。”
《每日新闻》的老板考克斯也承认说:“当时我们谁都不相信有关飞行的传闻。”
早期的飞行之所以不被人们所注意的另一个原因是莱特兄弟经常只在离地面3米或4.5米高的空中飞行,只是在极少的机会才飞到15米高。
他们也从来没有飞到牧场以外的地方去过,因为要是把飞机降落到别的地方,再把飞机拉回机库里来可不是一件容易的事情。
莱特兄弟开始时是不愿意引起别人注意的。每当公路上有汽车经过,他们都尽量不驾机起飞。可是这种预防措施不久就证明是多余的,因为没有几个人会注意到他们的飞行。有一天飞机正在飞行,负责公路部门的总经理当时正乘车经过那儿,他叫车停下来,他和总工程师一起下了车,久久地注视着这令人难以置信的事物。
在霍夫曼牧场附近住着一家托伦斯·霍夫曼农场的佃户,主人叫比尔德。每当比尔德太太看见飞机从天上降落下来,她总要拿着一瓶叫山金车花酊剂的外伤药品跑过公路,来到牧场看望莱特兄弟。有时候,她的药确实派上了用场。除此以外,常来访问莱特兄弟的人就很少了。
有一天突然出现两位神秘的来访者,一整天都在附近的田野上转悠。莱特兄弟深感奇怪,这一带没有多少野生动物,怎么会有猎人在这转呢?第二天那两个陌生人又出现了,后来那两人干脆穿过原野,径直来到莱特兄弟摆弄飞机的地方,其中一人手上还拿着照相机。他们问莱特兄弟是否允许别人参观。
“是的,我们只是请你不要拍照。”莱特兄弟很客气地提出了要求。
拿相机的那个人好像要表白自己不会试图偷偷地拍照似的,立刻把照相机放到了6米以外的草地上。然后,他们问莱特兄弟是否可以看看他们的机库,莱特兄弟要他们不用客气。当问到这两个来访者是报社的记者吗?他俩回答说,不是的,但有时候也为报纸写文章,这就等于自我介绍了。当这两个陌生人走了以后,莱特兄弟雇的技工泰勒说:“那个人不是报纸的撰稿者,至少也是知名的撰稿人。当他观看飞机各部分的时候,他都能够叫出它们正确的名字。”
后来,莱特兄弟才知道那位来访者的身份。一次奥维尔偶然在《纽约时报》上看到了他的相片。以后,当他和奥维尔正式会见,并进行自我介绍的时候——尽管他们谁都没有提起早先的那一次会见——莱特兄弟才了解到他曾经是史密森学会兰利教授的总工程师。
1905年9月底,莱特兄弟能够作较远距离的飞行了。9月26比,他们在18分9秒的时间里飞行了18千米。9月29日,他们用19分55秒飞了19.3千米。到10月3日,他们创造了新的纪录:25分零5秒飞了24.5千米。10月4日,33分17秒飞了33.3千米。10月5日,38分零3秒飞了39千米。
要不是轴承的温度过高的话,10月3日和4日的飞行本来可以飞得更久一些。10月5日,发明家们给飞机需要的地方涂了更多的黄油,同时也换了一个更大的汽油箱。可是,在飞机起飞时,油箱并没有装满油,而飞行的结束也是由于燃油耗尽。莱特兄弟本来想再作一次飞行试验,以便打破飞行一小时的纪录。但这时,飞行的奇迹第一次真正吸引了广大的群众。他们想,在飞机的具体构造广为人知以前就停止飞行可能是比较明智的举动。不过在10月16日,他们又进行了一次短距离的飞行——只是围绕牧场飞了一个圈。
1905年的飞行试验结束以后,一次发动机的试验表明,这台发动机产生的动力大于开始使用它时产生的动力,这是由于连续使用磨损了的汽缸和活塞比原先更光滑的缘故。